CN106208661A - 家用电器及其pfc电路 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及家用电器领域，公开了一种家用电器及其PFC电路，所述PFC电路包括：噪声产生器件，产生高频噪声；吸收缓冲电路，与所述噪声产生器件并联，用于抑制所产生的高频噪声。如此可以在家用电器中采用高频PFC电路，不仅能够满足EMC要求，而且降低了电路尺寸。

Description

家用电器及其PFC电路
技术领域
本发明涉及家用电器，具体地，涉及一种家用电器及其PFC电路。
背景技术
对于大功率家用电器(如变频空调)，为了提高电力使用效率，降低大功率家用电器对电网的干扰，提高电器对电网干扰的适应性，在电控整流电路与滤波电容中通常会增加有源PFC电路(功率因数校正电路)，PFC初级调整变换器可以输出一个基本稳定的直流电压，以增加电流导通角，其功率矫正因素可达到0.99，使的电流波形在整个周期内追踪电压的波形。
PFC电路拓扑是多种多样的，工作模式也各不相同。如图1所示，现有技术中，在变频空调器中普遍采用典型的升压boost结构，如图1中的PFC电路10。AC电源通过整流电路，PFC升压电感Lpfc在开关管(例如功率开关管IGBT Q)导通时储存能量；在功率开关管IGBT Q截止时，电感Lpfc上感应出左负右正的电压，将导通时储存的能量通过快恢复二极管(FRD)D对大电解电容C充电，输出能量以为负载F(例如家用电器)供电。其输入电压是没有经过滤波处理的脉动电压，由于PFC电路10中的储能滤波电容和PFC升压电感串联，电感上的电流不能突变，这就对滤波电容的浪涌电流起到抑制作用。其中控制装置11对PFC电路的输入电压Vbd、输出电压Vdc以及电流进行检测，根据输入电压Vbd、输出电压Vdc以及电流来输出驱动信号以对PFC电路的参数进行调整。
在实际应用电路中，由于功率开关管IGBT在导通和关断瞬间，以及快恢复二极管在正向导通和反向恢复瞬间，都会产生巨大的电流变化(Di/Dt)和电压变化(Du/Dt)，开关瞬间能量会以传导形式传播，并以分布电容等因素形成传播环路，进而导致电磁兼容EMC超标，而且严重时还会影响电路功能。
发明内容
本发明的目的是提供一种家用电器及其PFC电路，该家用电器及其PFC电路能够抑制高频噪声，进而满足电磁兼容性(EMC)要求。
为了实现上述目的，本发明提供一种PFC电路，所述PFC电路包括：噪声产生器件，产生高频噪声；吸收缓冲电路，与所述噪声产生器件并联，用于抑制所产生的高频噪声。
可选地，所述PFC电路还包括：电感，连接至电源输入端；所述噪声产生器件包括：快恢复二极管，连接在所述电感与电源输出端之间；开关管，连接在所述电感与地端之间，以便在所述开关管导通的情况下为所述电感充电，在所述开关管关断的情况下通过所述快恢复二极管为负载供电；其中，所述快恢复二极管和所述开关管中的至少一者并联有所述缓冲吸收电路。
可选地，所述缓冲吸收电路包括串联的电阻、电容以及高频噪声吸收器。
可选地，所述高频噪声吸收器为磁珠或磁环。
可选地，所述电容的电容值Cb根据以下等式来确定：其中，最大电流Tf为是开关管电流消耗时间，Vdc为直流母线电压，P为负载功率，Uinmin为负载允许的输入最小电压。
可选地，所述电阻与所述磁珠或磁环的总阻值R根据以下等式来确定：其中，PFC电路最小占空比f_pfc为PFC电路开关频率，Uinmax为为负载允许的输入最大电压。
可选地，所述开关管为IGBT。
可选地，在所述开关管关断且所述快恢复二极管导通的情况下，给与负载并联电解电容充电。
可选地，所述PFC电路还包括控制装置，用于根据所述PFC电路的输入电压、输出电压以及电流来调节该PFC电路的参数，以使得电流的波形追踪电压的波形。
相应地，本发明还提供一种家用电器，所述家用电器包括上述PFC电路。
通过上述技术方案，利用吸收缓冲电路来抑制PFC电路中产生的高频噪声，如此可以在家用电器中采用高频PFC电路，不仅能够满足EMC要求，而且降低了电路尺寸。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是现有技术中PFC电路在家用电器中的结构图示；
图2是一种增加有缓冲吸收电路的PFC电路的结构图示；
图3是串联谐振所引起的电压波形变化的图示；
图4是串联谐振所产生的骚扰功率测试曲线图；
图5是根据本发明一种实施方式提供的PFC电路的结构图示；以及
图6是供电系统中使用根据本发明一种实施方式PFC电路的骚扰功率测试曲线图。
附图标记说明
10 PFC电路 11 控制装置
12 缓冲吸收电路 13 电流检测电路
131 信号调理电路 14 驱动电路
Lpfc PFC电感 D 快恢复二极管
Q 功率开关管IGBT C 电解电容
F 负载 Lb 磁珠
Rb 电阻 Cb 电容
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
针对家用电器，为了符合销售市场的测试要求，通常会在PFC电路中的快恢复二极管处增加缓冲电路，由一组电阻和电容串联(例如，Rb＝10ohm,Cb＝150pF)而成，其参数值可以根据电路参数调整。
图2是增加缓冲电路的PFC电路的结构图示。如图2所示，Vbd PFC电路的输入电压，即AC电源经过整流桥后的在PFC电感Lpfc前的直流电压；Vce是功率开关管IGBT Q的管压降；Vdc为直流母线电压，即大电解电容C的电压。以下将对PFC电路的一个周期内进行分析。
当功率开关管IGBT Q导通时，输入电压Vbd对PFC电感Lpfc进行充电，电感电流I_inc随着导通时间ton上升，I_inc＝Vbd/Lpfc*ton，此时，Vce＝0(于此忽略了功率开关管IGBT Q的导通压降)，缓冲电路12中的Rb、Cb充电(充电电压为Vdc)。
当功率开关管IGBT Q关断且快恢复二极管D导通时，PFC电感Lpfc为电解电容C充电，快恢复二极管D导通，电感电流I_dec随功率开关管IGBT Q从开始关断至完全关断(通常指的是功率开关管IGBT Q导通程度从90％下降至5％的过程)的所经过的时间t1下降，I_dec＝(Vbd–Vdc)/L*t1，当Vce＝Vdc(于此忽略了FRD导通压降)时，缓冲电路12的Rb、Cb放电至零电压。
当IGBT关断且FRD截止时(此种情况在电流断续(电流很小或为0)模式时会出现)，PFC电感电流I_dec下降到零之后，将无法再向电解电容C充电，此时快恢复二极管D截止。PFC电感Lpfc与缓冲电路的Rb、Cb构成串联谐振电路，PFC电感Lpfc的能量与电容Cb的能量振荡衰减，导致Vce等于Vbd加上PFC的电感振荡电压，如图3所示引起的电压波形变化。而串联谐振往往会出现过电压、大电流，容易导致家用电器的损坏。
出现串联谐振的条件是PFC电感电流出现断续(即工作在断续模式下)，而电流出现断续通常会在以下情况中出现：在输入电压过零附近，输入电压下降接近于0时，PFC电感电流将很小；负载(例如变频空调的压缩机)电流越小(如运行频率越低)，出现断续模式的占比就会越大，而负载电流越大(如运行频率越高)，则出现断续模式的占比越小。
为了降低空调产品成本，提高生产制造效率，同时提供更加稳定可靠的直流电压，提高产品可靠性，通常采用高频PFC电路，但是高频PFC电路对产品的热管理设计及EMC设计提出更严苛的要求。同时由于高频(例如40KHz)PFC开关导致的高频噪声在空调系统中传导，致使EMC超标。在电路中接入EMC接收机，高频PFC开关导致的高频噪声沿着电源线返回至EMC接收机，其产生噪声范围从十几MHz到一百多MHz(高频)广泛分布，如图4所示，在该测试中，谐振点在48MHz附近产生，从其展开频谱图中可以发现，谐振波形频率为高频PFC开关频率。通过整改其他项，如调整电源EMI电路参数、IGBT散热器上增加耦合电容等，都不能解决谐振尖峰。
为了降低串联谐振的影响，需要降低谐振电压。其中，谐振频率由PFC电感Lpfc和缓冲电路的电容Cb确定，而谐振电压幅值受谐振电路品质因数(Q＝1/R*sqrt(L/Cb))和输入输出压差的影响(Vdc-Vbd)，其中R、L和Cb分别是串联谐振电路的电阻、电感及电容。通过上述内容可以得出品质因数越小，则谐振电压越小，因此发明人发现，可以通过调节品质因数来降低谐振电压幅值。
基于上述内容，提出了一种PFC电路，所述PFC电路可以包括：噪声产生器件，产生高频噪声(例如上述IGBT导通和关断瞬间及快恢复二极管正向导通和反向恢复瞬间所产生的噪声能量以及上述串联谐振)；吸收缓冲电路，与所述噪声产生器件并联，用于抑制所产生的高频噪声。如此可以在家用电器中采用高频PFC电路，不仅能够满足EMC要求，而且降低了电路尺寸。
如上所述，所述PFC电路还可以包括：电感，连接至电源输入端；所述噪声产生器件包括：快恢复二极管，连接在所述电感与电源输出端之间；开关管，连接在所述电感与地端之间，以便在所述开关管导通的情况下为所述电感充电，在所述开关管关断的情况下通过所述快恢复二极管为负载供电；其中，所述快恢复二极管和所述开关管中的至少一者并联有所述缓冲吸收电路。
其中，电感用于在开关管导通时存储能量，在开关管关断且快恢复二极管导通时，可以例如通过给与负载并联电解电容充电，以便为负载提供电能。如上所述，由于功率开关管IGBT在导通和关断瞬间，以及快恢复二极管在正向导通和反向恢复瞬间，都会产生噪声，进而导致巨大的电流变化(Di/Dt)和电压变化(Du/Dt)，开关瞬间能量会以传导形式传播，并以分布电容等因素形成传播环路，进而导致电磁兼容EMC超标。所述吸收缓冲电路，能够吸收缓冲所产生的噪声信号。
其中，所述缓冲吸收电路可以包括串联的电阻、电容以及高频噪声吸收器。而所述高频噪声吸收器可以为磁珠或磁环。
以下将参考图5通过具体实施方式来详细描述本发明，但是应该注意的是本发明并不限制于此。
如图5所示，在快恢复二极管D和功率开关管IGBT Q的两端分别并联一个缓冲吸收电路12，该缓冲吸收电路12包括磁珠Lb(能够承受3至5安电流的大功率磁珠)、电阻Rb以及电容Cb。并联在功率开关管IGBT Q的两端的缓冲电路12能够与PFC电感Lpfc形成小环路，可以消除功率开关管IGBT Q所产生的噪声。并联在快恢复二极管D两端的缓冲电路12能够消除快恢复二极管D所产生的噪声。
而且，由于磁珠在低频阻抗非常低，相当于跳线，而在高频下表现出大电阻特性，大阻抗降低了谐振电路的品质因素Q和谐振振幅，因而该吸收缓冲电路对高频PFC产生的高频噪声吸收效果较好，但对低频共模噪声具有低阻抗返回路径，发热较低。图6是本实施方式中EMC测试数据图示，磁珠在吸收缓冲电路中的应用，能够将高频PFC引起的谐振尖峰消除。
其中，所述电容的电容值Cb根据以下等式(1)来确定。
C b = I p e a k * T f 2.2 * V d c - - - ( 1 )
其中，最大电流Tf为是开关管电流消耗时间，Vdc为直流母线电压，P为负载功率，Uinmin为负载允许的输入最小电压。
所述电阻与所述磁珠的总阻值R根据等式(2)来确定。
R = D m i n 3 * C b * f _ p f c - - - ( 2 )
其中，PFC电路最小占空比f_pfc为PFC电路开关频率，Uinmax为为负载允许的输入最大电压。
在一种实施例中，整机功率P＝1800W，输入最大电压输入最小电压Uinmin＝180V，直流母线电压Vdc＝380V，PFC开关频率f_pfc＝40KHz，IGBT电流的消耗时间(例如从90％下降到5％)Tf＝120nS，
根据等式(1)可以得出电容Cb，针对所计算得出得出的值，可以选取较为合适的电容，例如通过基于计算值改变Cb以获得效果较好的值，另外由于直流母线电压为380V，因此例如可以选择电容值为1nF、耐压值为1000V的电容。
根据等式(2)可以得出所述电阻与所述磁珠的总阻值R，然后根据实际情况对所计算的值进行适当调整，例如取值220Ω。例如可以选择电阻值为100Ω的电阻，然后将120Ω作为选择磁珠的基础，通过基于120Ω对阻值的调整来获得较为合适的磁珠，以达到尽可能好的抑噪效果。
另外可以根据以下等式计算电阻功率：PR＝0.5*Cb*Vdc2*f_pfc，在该实施例中可以取值3W，在选择电阻时应该考虑其允许的最大功率值，以避免在工作过程中烧毁。
对于Rb、Cb和磁珠阻值的实际取值，可以所计算的值为基础根据实际谐振点来进行调整。通过缓冲吸收电路12能够使得尖峰削弱。
如图5所示，所述PFC电路还包括控制装置11，用于根据所述PFC电路的输入电压、输出电压以及电流来调节该PFC电路的参数，以使得电流的波形追踪电压的波形。控制装置11利用R4和R5分别对输入电压和输出电压进行检测，并通过电流检测电路13对电流进行检测。在一种实施例中，可以将输入电压和输出电压进行拟合(例如相乘)，然后与电流进行比较，然后控制装置11产生驱动信号以通过驱动电路14(例如产生开关频率信号)来对功率开关管IGBT Q进行驱动，以使得电流波形追踪电压的波形。其中可以通过信号调理电路对所检测到的电流进行调整，例如对电流值进行同步放大，以便于与较大的电压值波形进行比较，而电流值的同步放大并不会影响电流的波形图。
相应地，本发明还提供一种家用电器，所述家用电器包括上述PFC电路，例如变频空调。
通过本发明提供的技术方案，可以在变频空调中采用高频PFC电路，从而能够节省器件成本，提高电控可靠性并提升制造效率高频PFC。本发明的技术方案不仅可以缩小电抗器尺寸，缩短走线，使得原有分离的大体积电抗不再需要单独预留和设计空间放置，而且还可以大大改善电抗器发热，并且在抑制高频噪声及谐振方面有很好的效果，极大加速产品开发周期中的EMC整改时间。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种PFC电路，其特征在于，所述PFC电路包括：
噪声产生器件，产生高频噪声；
吸收缓冲电路，与所述噪声产生器件并联，用于抑制所产生的高频噪声。
2.根据权利要求1所述的PFC电路，其特征在于，
所述PFC电路还包括：电感，连接至电源输入端；
所述噪声产生器件包括：
快恢复二极管，连接在所述电感与电源输出端之间；
开关管，连接在所述电感与地端之间，以便在所述开关管导通的情况下为所述电感充电，在所述开关管关断的情况下通过所述快恢复二极管为负载供电；
其中，所述快恢复二极管和所述开关管中的至少一者并联有所述缓冲吸收电路。
3.根据权利要求2所述的PFC电路，其特征在于，所述缓冲吸收电路包括串联的电阻、电容以及高频噪声吸收器。
4.根据权利要求3所述的PFC电路，其特征在于，所述高频噪声吸收器为磁珠或磁环。
5.根据权利要求4所述的PFC电路，其特征在于，所述电容的电容值Cb根据以下等式来确定：
C b = I p e a k * T f 2.2 * V d c ,
其中，最大电流Tf为是开关管电流消耗时间，Vdc为直流母线电压，P为负载功率，Uinmin为负载允许的输入最小电压。
6.根据权利要求5所述的PFC电路，其特征在于，所述电阻与所述磁珠或磁环的总阻值R根据以下等式来确定：
R = D m i n 3 * C b * f _ p f c ,
其中，PFC电路最小占空比f_pfc为PFC电路开关频率，Uinmax为为负载允许的输入最大电压。
7.根据权利要求2所述的PFC电路，其特征在于，所述开关管为IGBT。
8.根据权利要求2所述的PFC电路，其特征在于，在所述开关管关断且所述快恢复二极管导通的情况下，给与负载并联电解电容充电。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的PFC电路，其特征在于，所述PFC电路还包括控制装置，用于根据所述PFC电路的输入电压、输出电压以及电流来调节该PFC电路的参数，以使得电流的波形追踪电压的波形。
10.一种家用电器，其特征在于，所述家用电器包括权利要求1至9中任一项所述的PFC电路。
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